帕克探测器发现太阳表面附近的磁能使太阳风达到违反重力的速度

2023-07-04 01:59:07来源：cnBeta

地球上有史以来最快的风速可以达到每小时200多英里，那么来自太阳的风有多快呢？在2023年6月7日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，一个研究小组利用美国宇航局帕克太阳探测器的数据来解释太阳风为何能够超过每小时100万英里的速度。他们发现，太阳表面附近的磁场所释放的能量足以驱动快速的太阳风，它是由被称为等离子体的电离粒子组成，从太阳向外流动。

马里兰大学物理系和物理科学与技术研究所（IPST）的杰出大学教授James Drake与第一作者加州大学伯克利分校的Stuart Bale共同领导这项研究。德雷克说，自20世纪50年代以来，科学家们一直试图了解太阳风的驱动力--随着世界比以往任何时候都更加相互联系，对地球的影响是非常大的。

(资料图片)

太阳风形成了一个巨大的磁泡，被称为日光层，保护我们太阳系的行星不受围绕银河系的高能宇宙射线的侵袭。然而，太阳风也携带等离子体和太阳的部分磁场，它们可以撞上地球的磁层并造成干扰，包括地磁暴。

艺术家对帕克太阳探测器航天器接近太阳的概念。资料来源：美国航空航天局/约翰霍普金斯大学APL/Steve Gribben

这些风暴发生在太阳经历更多的动荡活动时，包括太阳耀斑和巨大的等离子体驱逐到空间，被称为日冕物质喷射。地磁暴是在地球两极附近可以看到的壮观的极光表演的原因，但在其最强大的时候，它们可以使一个城市的电网瘫痪，甚至可能破坏全球通信。这种事件虽然罕见，但对太空中的宇航员来说也是致命的。

德雷克说："风将大量信息从太阳带到地球，因此了解太阳风背后的机制对地球上的实际原因很重要。这将影响我们了解太阳如何释放能量并驱动地磁暴的能力，而地磁暴是对我们通信网络的威胁。"

以前的研究显示，太阳的磁场在某种程度上驱动着太阳风，但研究人员并不清楚其背后的机制。今年早些时候，德雷克与人合作撰写了一篇论文，认为太阳风的加热和加速是由磁重联驱动的--这是德雷克在科学生涯中致力于研究的过程。

作者解释说，整个太阳表面覆盖着热等离子体的小"喷流"，它们被磁重联向上推动，当指向相反方向的磁场交叉连接时就会发生。反过来，这引发了大量能量的释放。

美国宇航局的帕克太阳探测器飞过太阳的高层大气--日冕--并对那里的粒子和磁场进行采样。这是历史上第一次有航天器接触到太阳。资料来源：本-史密斯/应用物理实验室/美国航空航天局

德雷克说："两个指向相反方向的物质往往最终互相湮灭，在这种情况下会释放出磁能。发生在太阳上的这些爆炸都是由这种机制驱动的。这是磁场的湮灭。"

为了更好地了解这些过程，《自然》杂志新论文的作者使用帕克太阳探测器的数据来分析从日冕--太阳最外层和最热的一层流出来的等离子体。2021年4月，帕克成为第一个进入太阳日冕的航天器，此后一直在向太阳靠近。本文引用的数据是在13个太阳半径的距离上拍摄的，也就是离太阳大约560万英里。

德雷克说："当你非常接近太阳时，你开始看到你在地球上看不到的东西。所有环绕地球的卫星离太阳有210个太阳半径，而现在我们已经降到了13个。我们的距离已经接近了。"

利用这些新数据，《自然》论文的作者首次提供了发生在日冕洞的磁能爆发的特征，日冕洞是太阳磁场中的开口，也是太阳风的来源。

研究人员证明，开放和封闭的磁场之间的磁重联--即所谓的互换连接--是一个连续的过程，而不是以前认为的一系列孤立的事件。这使他们得出结论，驱动受热等离子体向外喷射的磁能释放速度强大到足以克服重力并产生太阳的快速风。

通过了解太阳上不断发生的这些较小的能量释放，研究人员希望了解甚至可能预测将等离子体发射到太空过程中产生的更大和更危险的爆发。除了对地球的影响之外，这项研究的结果也可以应用于天文学的其他领域。

德雷克说："风是由整个宇宙中的物体产生的，所以了解是什么驱动了来自太阳的风具有广泛的意义。例如，来自恒星的风在保护行星系统不受银河系宇宙射线的影响方面起着至关重要的作用，而银河系宇宙射线可能会影响到可居住性。"

这不仅有助于我们对宇宙的了解，也可能有助于在其他行星上寻找生命。

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